aula 5 - cte e fosforilação oxidativa

Cadeia transportadora de Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativaelétrons e fosforilação oxidativa

Universidade Federal de São João del-ReiEngenharia de BioprocessosBioquímica do Metabolismo

Juliano Lemos BicasJuliano Lemos Bicas

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

IntroduçãoIntrodução

Catabolismo de carboidratosCatabolismo de carboidratosFormação de ATP e cofatores reduzidos (NADH, FADH2)

Glicose 2Piruvato 6 NADH

2 FADH2

2 GTP

2Acetil-CoA

ATP ATP

2 NADH ATP ATP

ATPATP

2 NADH

ATP

ATP

Saldo (por glicose):- 4 ATP

- 2 FADH2

- 10 NADH

Ciclo de Krebs

4 CO22 CO2

Maior parte da energia = coenzimas reduzidas

IntroduçãoIntrodução

Fosforilação oxidativa:Fosforilação oxidativa:• Estágio final da respiração celular (organismos aeróbicos);• Etapas oxidativas da degradação CH, aa e AG convergem para ela;• Utilização da energia de oxidação para síntese de ATP;

Cadeia transportadora de elétrons (CTE):Cadeia transportadora de elétrons (CTE):• Reoxidação dos cofatores reduzidos (NADH e FADH2);• Elétrons transportados até O2 (aceptor final), que é reduzido a H2O;• Gradiente de H+ impulsiona síntese de ATP (fosforilação oxidativa).

Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)

IntroduçãoIntrodução

Mitocôndria:Mitocôndria:• Sítio do metabolismo oxidativo em eucariotos:

- Compl. pir. desidr.- CK- β-oxidação- CTE/FO

IntroduçãoIntrodução

Mitocôndria:Mitocôndria:• Membrana externa:

- Livremente permeável apenas a O2, CO2 e H2O

- Proteínas de transporte controlam passagem de ATP, piruvato, Ca2+, Pi etc.

- Porinas: difusão livre de moléculas de até ~10kDa (não específico)

• Membrana interna:

- Permite gradientes iônicos e compartimentalização (citossol x mitocôndria)

- Impermeável à maioria das substâncias hidrofílicas

CITOSSOL

MATRIZ

ATP

ADP Pi

Pi ou Dicarboxilatos

OH–

Dicarbo-xilatos

Tricarbo-xilatos

Malato OH–

Piruvato

OH– ou Aspartato

Ca2+

Ca2+

2Na+Glutamato

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria

Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira malato-aspartato

CITOSSOL

MATRIZ

Aspartato

Aspartato

Glutamato

Glutamato

Malato

Malato

α-Cetoglutarato

α-Cetoglutarato

Oxalacetato

Oxalacetato

Aspartato aminotransferase

Aspartato aminotransferase

Malato desidrogenase

Malato desidrogenase

H+ + NADH

H+ + NADH

NAD+

NAD+

Via glicolítica

Carregador malato-α-

cetoglutarato

Carregador glutamato-aspartato

Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria

Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira glicerol-fosfato (1,5 ATP/NADH)

CITOSSOL

MATRIZ

H+ + NADH Via glicolítica

FAD FADH2

Diidroxicetona-fosfatoGlicerol-3-fosfato

Fe2+-S Fe3+-S

NAD+

Glicerol-3-fosfato desidrogenase

Flavoproteína desidrogenase

CoQ CoQH2

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

CTE e fosforilação oxidativaCTE e fosforilação oxidativa

Visão geralVisão geral

e–

e–

½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+

FADH2

+ + + + + + + + +

– – – – – – – – – –

H+

H+

ADP + Pi ATP

4H+

2H+ 2H+ 2H+

4H+ 2H+

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

Membrana interna

I

II III IVCoQ

c

2H+

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Componetes da CTE e respectivos grupos prostéticosComponetes da CTE e respectivos grupos prostéticos• Complexo I (NADH-CoQ redutase)

• Complexo II (Succinato-CoQ redutase)

- FMN- 6 ou 7 centros FeS

- FAD- 3 centros FeS- Citocromo b560

• Complexo III (CoQ-citocromo c redutase)- Citocromos b (bH e bL) e c1

- Centro Fe-S (centro de Rieske)

• Complexo IV (Citocromo c oxidase)- Citocromos a e a3

- Íons cobre

• Coenzima Q (CoQ) ou ubiquinona componente não protéico

• Citocromo c

O2

ee––

ee––

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Centros Ferro-EnxofreCentros Ferro-Enxofre

• Grupo prostético de proteínas ferro-enxofre

Centros de Rieske = 2 His (> pot. redução)

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo I (NADH desidrogenase)Complexo I (NADH desidrogenase)

NADHH NAD+

HH++

CoQ (ox)

FMNH2

FMN

FeS (red)

FeS (ox)

2H2H++

CoQH2 (red)

2H2H++

2e2e––Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

Membrana interna

2H2H++

2H2H++

NADH + Q + 5H+matriz

NAD+ + QH2 + 4H+citoplasma

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo IIComplexo II

Succinato Fumarato2H2H++

CoQ (ox)

FADH2

FAD

FeS (red)FeS (ox)

CoQH2 (red)

2H2H++Matriz

mitocondrial

Espaço intermembrana

cit b560

2e2e––

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Coenzima QCoenzima Q

H+ + e– H+ + e–

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

CitocromosCitocromosProteínas com atividade redoxNão ocorre em alguns anaeróbicos obrigatóriosGrupos heme

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo IIIComplexo III

QH2

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

Citocromo c (red)

FeS (ox)

Citocromo c (ox)

FeS (red)

cit c1 (ox)cit c1 (red)

cit bL (ox)

cit bL (red)

cit bH (ox)

cit bH (red)

e–

2 e–

HH++

HH++

Centro de Rieske [2Fe-2S]

Ciclo QCiclo Q

Ciclo QCiclo Q

Citocromo cQH2

H+

cit b

e– e–

H+

Fe-S cit c1

QH●

Q

QH●

H+

e–

Citocromo cQH2

H+

cit b

e– e–Fe-S cit c1

QH●

Q

QH●

H+

e–

H+

e–

e–

e–

e–

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

matriz

Espaço intermembranas

Espaço intermembranas

matriz

III

III

1

2

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo IIIComplexo III

Qpool

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

2 Citocromo

c (red)

FeS (ox)

2 Citocromo

c (ox)

FeS (red)

cit c1 (ox)cit c1 (red)

cit bL (ox)

cit bL (red)

cit bH (ox)

cit bH (red)

e–

2 e–

2H2H++

4H4H++

QH2 + 2 cit c (ox) + 2H+matriz Q + 2 cit c (red) + 4H+

citoplasma

2e2e––

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

2 Citocromo

c (red)

2 Citocromo

c (ox)

centro CuA

heme a

2 cit c (red) + 4H+matriz + ½O2 2 cit c (ox) + H2O + 2H+

citoplasma

2H2H++

2H2H++

½O2 H2O

heme a3 - CuB

2H2H++

2e–

2e–

2e–

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)

heme a3 CuB

Tyr

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

ResumoResumo

e–

e–

½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+

FADH2

+ + + + + + +

– – – – – – – –

4H+

2H+ 2H+ 2H+

4H+ 2H+

I

II III IVCoQ

c

2H+

Gradiente eletroquímico = força próton-motriz

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

Δψ ~ 0,1-0,2V

ΔpH ~ 0,75

síntese de ATP

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Retorno dos HRetorno dos H++ p/ matriz = p/ matriz = ATP sintaseATP sintase

H+

H+

H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

H+H+ H+ H+H+H+

H+H+

+ + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –ATP sintase

ADP + Pi ATP

H+

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)

citoplasma

matriz

Fo

F1

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)Mecanismo de síntese de ATP

1 volta Fo = 3 ATP

β

ββ

3H+citoplasma Fo (giro) 3H+

matriz

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Rendimento da oxidação da glicoseRendimento da oxidação da glicose

3 H+ 1 ATP (ATP sintase)1 H+ transporte de Pi, ADP e ATP pela membrana mitocondiral

4 H+ = síntese 1 ATP

NADHmitocondrial 10 H+ 1 NADH = 10/4 ATP = 2,5 ATP (ou 3?)

FADH2 6 H+ 1 NADH FADH2 = 6/4 ATP = 1,5 ATP (ou 2?)

NADHcitossol (Lançadeira mal.-asp.) 9 H+ 1 NADH = 9/4 ATP ~ 2,3 ATP

NADHcitossol (Lançadeira glic.-fosf.) 6 H+ 1 NADH = 6/4 ATP = 1,5 ATP

Razão P/O:Razão P/O:

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)

Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 6 ou 4 ATP

Piruvato acetil-CoA 2NADH 6 ATP

Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 6 ATP

α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 6 ATP

Succinato fumarato 2FADH2 4 ATP

Malato oxalacetato 2NADH 6 ATP

Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 36 ou 38 ATP

1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP

Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)

Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 4,6 ou 3 ATP

Piruvato acetil-CoA 2NADH 5 ATP

Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 5 ATP

α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 5 ATP

Succinato fumarato 2FADH2 3 ATP

Malato oxalacetato 2NADH 5 ATP

Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 31,6 ou 30 ATP

1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP

Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

Controle da produção de ATPControle da produção de ATP

• CTE esta acoplada à fosforilação oxidativa

- e– não fluem pela CTE sem concomitante ação ATP-sintase

• Reação da citocromo c oxidase (COX) é irreversível

- Ponto de controle da fosforilação oxidativa

- ↑[NADH]/[NAD+] ou ↓[ATP]/[ADP][Pi] = ↑COX

Mantida elevada pela combinação da glicólise e ciclo de Krebs

Inibidores (interferência sobre fluxo Inibidores (interferência sobre fluxo ee––))

Controle da produção de ATPControle da produção de ATP

Desacopladores (interferência sobre fluxo HDesacopladores (interferência sobre fluxo H++))

• Algumas drogas (inibidores dos complexos) podem bloquear a transferência e–

• Inibição síntese ATP potencialmente letais- Rotenona (inseticida) complexo I- CN–, CO, H2S, azida (Na) complexo IV

• Dissociam (desacoplam) transporte de e– da fosforilação oxidativa

• Transporte de e– sem síntese de ATP• Impede gradiente H+ energia dissipada na forma de calor

- 2,4-dinitrofenol (DNF) e carbonilcianeto-p-trifluorometoxifenil-hidrazona (FCCP)

- Proteina desacopladora ou termogenina (UCP) no tecido adiposo marrom

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

CTE em bactériasCTE em bactérias

• Princípios gerais equivalentes aos apresentados

• Fornecedores de elétrons (além das coenzimas reduzidas):

• Aceptor final de elétrons (respiração anaeróbica):

- NH4+

- NO2–

- H2S- H2

- S- Fe

- NO2–

- NO3–

- SO42–

- CO32–

- Fumarato e outras moléculas orgânicas

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

ConclusãoConclusão

Cadeia transportadora de elétrons• Regenera cofatores oxidados (NAD+ ou FAD) e os elétrons resultantes são transferidos a H2O via 3 ou 4 complexos;

• Concomitante formação de força próton-motriz (Δψ e ΔpH);• NADH = 10H+ e FADH2 = 6H+.

Fosforilação oxidativa• Força próton-motriz é utilizada para síntese de ATP;• 1NADH = 2,5ATP; 1FADH2 = 1,5ATP;

• velocidade é influenciada pela necessidade de ATP.

PRÓXIMA AULA:PRÓXIMA AULA: Glicogênese e glicogenólise

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

Exercícios Exercícios

1. Estudar membranas biológicas e transporte2. Espécies reativas de oxigênio (ROS)

a) Explicar como espécies reativas de oxigênio (ROS) podem ser formadas na CTE?

b) Qual a implicação dos ROS para a saúde humana?c) Quais são as estratégias celulares contra o dano

oxidativo causado por ROS?

3. Como os seguintes compostos interferem na CTE e fosforilação oxidativa?a) Cianetob) Monóxido de carbonoc) Proteína desacopladora (UCP) na gordura marrom

BibliografiaBibliografia

1. Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L. Bioquímica. 6a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.

2. Nelson, DL; Cox, MM. Lehninger - Princípios de bioquímica. Traduzido por Simões, A. A.; Lodi, W. R. N. 3ª ed. São Paulo: Sarvier, 2002.

3. Marzzoco, A; Torres, BB. Bioquímica básica. 2a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999.

4. Salway, J.G. Metabolismo passo a passo. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2009.

5. Voet, D; Voet, JG. Bioquímica. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.